JPWO2018047576A1 - 液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置の提供を課題とし、上記課題は、圧力発生素子により容積を変化させられるチャネル28と、チャネル28に連通されたノズル23とを備え、ノズル23内は、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分23aと、円錐状部分23aに連続し外方側に連通する円筒状部分23bとを有し、円錐状部分23aの円筒状部分23bへの接続部と、円筒状部分23bの円錐状部分23aへの接続部とは、開口断面形状が一致しており、円筒状部分23bは、その内径をD0としたとき、その軸方向長さが0.1D0乃至0.3D0であり、円錐状部分23aは、その軸方向長さが0.6D0以上であり、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度が6度以上15度以下であることにより解決される。
Description
本発明は、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関し、詳しくは、ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。
従来、液滴吐出装置として、圧力発生素子により容積を変化させられるチャネルと、このチャネルに連通されたノズルとを備えたものが提案されている(特許文献1)。
この液滴吐出装置においては、圧力発生素子によりチャネルの容積が縮小されると、チャネル内に充填された液体が、ノズルを通して液滴として外方に吐出される。この液滴は、記録媒体上に滴下され、この記録媒体上に画像形成を行う。
この液滴吐出装置において用いられる液体の粘度は、8ミリパスカル秒以上であり、ノズルは、テーパー角度が40度以上の円錐台状の空間を区画するチャネル側の第1部分(ロート部)と、断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない形状(円筒状)である吐出側の第2部分とから構成されている。
液滴吐出装置においては、液滴を吐出するときに、ノズルからの尖頭吐出により正常な液滴形成が行われない場合がある。この場合、本来の滴下位置からずれた位置への滴下量(サテライト量)が多くなり、画像形成の際に大きな画質劣化を招く要因になる。また、液滴吐出時の吐出曲がり(吐出角度のずれ)も、同じく画質形成の際に大きな画質劣化を招く。
本発明者らは、このような画質劣化を招く要因は、ノズルの形状にあるという知見を得た。そして、前述した液滴吐出装置(特許文献1)においては、ノズルのうち、吐出側の第2部分(断面積をノズル方向と直交する面でほぼ変えない円筒状)に画質劣化を招く要因があることがわかった。
なお、前述した液滴吐出装置(特許文献1)は、8ミリパスカル秒以上という高粘度の液体を吐出する装置である点で、本発明とは異なるため、ノズルの形状、内径及び長さが大きく異なる。また、前述した液滴吐出装置(特許文献1)のノズルは、ロート部である第1部分と円筒状の第2部分とからなるが、本発明においては、この液滴吐出装置と対比すれば、第2部分のみからなるノズルにおいて課題を解決しようとするものである。したがって、本発明は、前述した液滴吐出装置(特許文献1)のノズルを単に小型化(スケールダウン)することによって成立するものではない。
そこで、本発明は、ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを課題とする。
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
1.
圧力発生素子により容積を変化させられるチャネルと、
前記チャネルに連通され、前記チャネル内から外方に吐出される液体の流路となる透孔であるノズルとを備え、
前記ノズル内は、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分と、この円錐状部分に連続し外方側に連通する円筒状部分とを有し、
前記円錐状部分の前記円筒状部分への接続部と、前記円筒状部分の前記円錐状部分への接続部とは、開口断面形状が一致しており、
前記円筒状部分は、その内径をD0としたとき、その軸方向長さが0.1D0乃至0.3D0であり、
前記円錐状部分は、その軸方向長さが0.6D0以上であり、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度が6度以上15度以下である液滴吐出ヘッド。
2.
前記ノズルは、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に、母線のノズル中心軸に対する角度が15度以上50度以下である錐状部分を有する前記1記載の液滴吐出ヘッド。
3.
前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔である前記1又は2記載の液滴射出ヘッド。
4.
前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔であり、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に正四角錐状部分を有し、
前記正四角錐状部分は、異方性エッチングにより形成され、
前記正四角錐状部分の斜面部のノズル中心軸に対する角度は、シリコン結晶の(110)面と(111)面とがなす角度であって、約35.26度である前記1記載の液滴吐出ヘッド。
5.
前記円筒状部分には、スキャロップ条がある前記1〜4の何れかに記載の液滴吐出ヘッド。
6.
前記1〜5の何れかに記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドの前記圧力発生素子に、前記チャネルの容積を変化させる駆動信号を供給する駆動信号生成部とを備え、
駆動信号生成部が供給する駆動信号は、一画素周期内に一つのノズルから複数の液滴を吐出させる信号である液滴吐出装置。
圧力発生素子により容積を変化させられるチャネルと、
前記チャネルに連通され、前記チャネル内から外方に吐出される液体の流路となる透孔であるノズルとを備え、
前記ノズル内は、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分と、この円錐状部分に連続し外方側に連通する円筒状部分とを有し、
前記円錐状部分の前記円筒状部分への接続部と、前記円筒状部分の前記円錐状部分への接続部とは、開口断面形状が一致しており、
前記円筒状部分は、その内径をD0としたとき、その軸方向長さが0.1D0乃至0.3D0であり、
前記円錐状部分は、その軸方向長さが0.6D0以上であり、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度が6度以上15度以下である液滴吐出ヘッド。
2.
前記ノズルは、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に、母線のノズル中心軸に対する角度が15度以上50度以下である錐状部分を有する前記1記載の液滴吐出ヘッド。
3.
前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔である前記1又は2記載の液滴射出ヘッド。
4.
前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔であり、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に正四角錐状部分を有し、
前記正四角錐状部分は、異方性エッチングにより形成され、
前記正四角錐状部分の斜面部のノズル中心軸に対する角度は、シリコン結晶の(110)面と(111)面とがなす角度であって、約35.26度である前記1記載の液滴吐出ヘッド。
5.
前記円筒状部分には、スキャロップ条がある前記1〜4の何れかに記載の液滴吐出ヘッド。
6.
前記1〜5の何れかに記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドの前記圧力発生素子に、前記チャネルの容積を変化させる駆動信号を供給する駆動信号生成部とを備え、
駆動信号生成部が供給する駆動信号は、一画素周期内に一つのノズルから複数の液滴を吐出させる信号である液滴吐出装置。
本発明によれば、ノズルの吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上された液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することができるものである。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
〔液滴吐出装置の構成〕
本発明は、インクなどの液体が充填されたチャネル(圧力室)の容積を圧力発生素子により膨張及び収縮させることにより、ノズルを介して液体を吐出させる液滴吐出ヘッドに適用され、また、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に適用される。チャネルの容積を圧力発生素子により変化させるには、駆動信号生成部より、駆動パルスを圧力発生素子に入力する。
本発明は、インクなどの液体が充填されたチャネル(圧力室)の容積を圧力発生素子により膨張及び収縮させることにより、ノズルを介して液体を吐出させる液滴吐出ヘッドに適用され、また、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に適用される。チャネルの容積を圧力発生素子により変化させるには、駆動信号生成部より、駆動パルスを圧力発生素子に入力する。
なお、本発明において、チャネル内の液体に吐出圧力を付与するための具体的な手段は問わず、公知の種々の手段を採用することができる。また、本発明が適用される液滴吐出装置は、ライン型、シリアル型等、公知の種々の方式のものであってよく、いずれにも限定されないが、以下の実施形態では、主にライン型の液滴吐出装置を例として本発明を説明する。
図1は、ライン型の液滴吐出装置の要部の構成を示す斜視図である。
この液滴吐出装置は、図1に示すように、複数の液滴吐出ヘッド31により構成された液滴吐出ヘッドユニット30を備えている。液滴吐出ヘッドユニット30は、記録媒体の幅方向に吐出幅に対応した複数の液滴吐出ヘッド31が配列されて構成されている。必要な吐出幅が単一の液滴吐出ヘッド31により確保できれば、液滴吐出ヘッド31は1個でもよい。各液滴吐出ヘッド31は、液滴を吐出する方向であるノズル面側が記録媒体10の記録面に対向するように配置されている。各液滴吐出ヘッド31には、図示しない液体タンクから複数のチューブを介して液体が供給される。
図2は、駆動信号生成部の一例を説明するブロック図である。
各液滴吐出ヘッド31には、図2に示すように、駆動信号生成部51から駆動信号(駆動パルス)が供給される。駆動信号生成部51は、メモリ52に格納された画像データを読取り、この画像データに基づいて駆動信号(駆動パルス)を生成し、各液滴吐出ヘッド31に供給する。
この液滴吐出装置において、図1に示すように、記録媒体10は長尺状であり、図示しない駆動手段により巻き出しロール10Aから図中矢印X方向に繰り出され搬送される。なお、矢印X方向は、以下の各図においても、すべて記録媒体10の搬送方向を示している。長尺状の記録媒体10は、バックロール20に巻回され支持されて搬送される。
そして、各液滴吐出ヘッド31より、記録媒体10に向けて液滴が吐出され、画像データに基づいた画像形成が行われる。液滴吐出ヘッド31は、静止した状態で、記録媒体10が所定の搬送方向に搬送されることにより画像記録を行う。記録媒体10の搬送中、一画素周期ごとに画像データに基づく駆動信号が供給されて液滴の吐出が行われ、画像形成が行われる。画像が形成された記録媒体10は、乾燥され、図示しない巻き取りロールに巻き取られる。
〔液滴吐出ヘッドの構成〕
図3は、液滴吐出装置が備えるシアーモード(Shear mode)型の液滴吐出ヘッド31の一例を示す図であり、図3(a)は外観を断面で示す斜視図、図3(b)は側面から見た断面図である。
図3は、液滴吐出装置が備えるシアーモード(Shear mode)型の液滴吐出ヘッド31の一例を示す図であり、図3(a)は外観を断面で示す斜視図、図3(b)は側面から見た断面図である。
図中、310はヘッドチップ、22はヘッドチップ310の前面に接合されたノズルプレートである。
なお、本明細書においては、ヘッドチップ310から液滴が吐出される側の面を「前面」といい、その反対側の面を「後面」という。また、ヘッドチップ310において並設されるチャネルを挟んで図示上下に位置する外側面をそれぞれ「上面」及び「下面」という。
ヘッドチップ310は、図3(a)、(b)に示すように、隔壁27で仕切られた複数のチャネル28が並設されたチャネル列を有している。チャネル列を構成するチャネル28の数は何ら限定されないが、例えば、512個のチャネル28からチャネル列が構成される。
各隔壁27は、圧力発生素子として、電気・機械変換手段であるPZT等の圧電素子からなる。本実施形態では、各隔壁27は、分極方向が異なる2枚の圧電素子27a、27bによって構成されている。ただし、圧電素子27a、27bは、各隔壁27の少なくとも一部に備えられていればよく、各隔壁27を変形できるように配置されていればよい。
圧電素子27a、27bとして使用される圧電材料としては、電圧の印加により変形を生じるものであれば特に限定されず、公知のものが用いられる。圧電材料としては、有機材料からなる基板であってもよいが、圧電性非金属材料からなる基板が好ましい。圧電性非金属材料からなる基板として、例えば成形、焼成等の工程を経て形成されるセラミックス基板、又は塗布や積層の工程を経て形成される基板等がある。有機材料としては、有機ポリマー、有機ポリマーと無機物とのハイブリッド材料が挙げられる。
セラミックス基板としては、PZT(PbZrO3−PbTiO3)や、第三成分添加PZTがあり、第三成分としてはPb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Mn1/3Sb2/3)O3、Pb(Co1/3Nb2/3)O3等がある。さらに、BaTiO3、ZnO、LiNbO3、LiTaO3等を用いて形成することもできる。
本実施形態では、2枚の圧電素子27a、27bを分極方向が互いに反対方向になるように接着して使用している。これにより、1枚の圧電素子を用いる場合に対してせん断変形量が2倍になり、また、同じせん断変形量を得るには、駆動電圧が1/2以下で済む。
ヘッドチップ310の前面及び後面には、それぞれ各チャネル28の前面側の開口部と後面側の開口部とが開口している。各チャネル28は、後面側の開口部から前面側の開口部に至る長さ方向について開口断面積及び断面形状がほぼ変わらないストレートタイプである。
チャネル28の前端は、ノズルプレート22に形成されたノズル23に連通されており、後端は、共通液体室71、液体供給口25を経て、液体チューブ43に接続されている。ノズル23は、ノズルプレート22に形成された透孔であって、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状(テーパ状)部分と、この円錐状部分に連続し外方側に連通する円筒状(ストレート)部分とを有している。ノズル23の内径は、チャネル28の内寸よりもずっと小さく、チャネル28からノズル23への接続部は段差状になっている。
ノズルプレート22は、単結晶シリコン材料から構成することもできる。この場合には、ノズル23は、単結晶シリコン材料に透孔を穿孔することにより形成することができる。単結晶シリコン材料の穿孔は、ドライエッチング(例えば、反応性ガスエッチングや反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザビームエッチングなど)やウェットエッチングによって行うことができる。
各チャネル28の内面には、全面に亘って金属膜からなる電極29が密着形成されている。チャネル28内の電極29は、接続電極300、異方性導電フィルム79及びフレキシブルケーブル6を介して、駆動信号生成部51に電気的に接続されている。
チャネル28内の電極29に、駆動信号生成部51からの駆動信号が供給されると、隔壁27は、各圧電素子27a、27bの接合面を境にして屈曲変形する。このような隔壁27の屈曲変形によってチャネル28内に圧力波が発生し、該チャネル28内の液体にノズル23を介して吐出するための圧力が付与される。
図4は、図3(b)におけるiv−iv線断面図であり、チャネルの容積変化の一例を説明する図である。
図4(a)に示すように、互いに隣り合うチャネル28A、28B、28C内の電極29A、29B、29Cのいずれにも駆動信号が供給されない定常状態においては、隔壁27A、27B、27C、27Dは、いずれも変形してしない。
チャネル28内の容積を膨張させる際には、駆動信号として膨張パルス(+V)が用いられる。膨張させるチャネル28Bに隣接するチャネル28A,28Cの電極29A,29Cを接地させるとともに、膨張させるチャネル28Bの電極29Bに駆動信号生成部51からの膨張パルス(+V)を印加すると、膨張させるチャネル28Bの両隔壁27B、27Cがともに、それぞれの各圧電素子27a、27bの接合面にズリ変形が生じる。その結果、図4(b)に示すように、両隔壁27B、27Cはそれぞれチャネル28Bの外側に向けて屈曲変形し、膨張させるチャネル28Bの容積を膨張させる。このような屈曲変形により、チャネル28B内に負の圧力波が発生し、ノズル23内の液体がノズル23後方のチャネル28前端部近傍まで引き込まれる。
膨張パルスは、チャネル28の容積を、定常状態における容積から膨張させるパルスである。膨張パルスは、基準電圧GNDから波高値電圧+Vまで電圧を変化させ、波高値電圧+Vを所定時間保持した後、再び基準電圧GNDまで電圧を変化させる。
そして、チャネル28内の容積を収縮させる際には、駆動信号として収縮パルス(−V)が用いられる。収縮させるチャネル28Bに隣接するチャネル28A,28Cの電極29A,29Cを接地させると共に、収縮させるチャネル28Bの電極29Bに駆動信号生成部51からの収縮パルス(−V)を印加すると、収縮させるチャネル28Bの両隔壁27B、27C共に、それぞれの各圧電素子27a、27bの接合面に、上述した膨張時とは反対方向にズリ変形が生じる。その結果、図4(c)に示すように、両隔壁27B、27Cはそれぞれチャネル28Bの内側に向けて屈曲変形し、収縮させるチャネル28Bの容積を収縮させる。この屈曲変形により、チャネル28B内に正の圧力波が発生し、対応するノズル23を介して液滴が吐出される。
収縮パルスは、チャネル28の容積を、定常状態における容積から収縮させるパルスであり、基準電圧GNDから波高値電圧−Vまで電圧を変化させ、波高値電圧−Vを所定時間保持した後、再び基準電圧GNDまで電圧を変化させる。
なお、ここでパルスとは、一定電圧波高値の矩形波であり、基準電圧GNDを0%、波高値電圧を100%とした場合に、電圧の10%と90%との間の立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれもが、チャネル28が本実施形態のようにストレート形状である場合において、AL(Acoustic Length)の1/2以内、好ましくは1/4以内であるような波形を指す。ALとは、Acoustic Lengthの略であり、ストレート形状であるチャネル28における圧力波の音響的共振周期の1/2のことである。ALは、駆動電極に矩形波の駆動信号を印加した際に吐出される液滴の飛翔速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波のパルス幅を変化させたときに、液滴の飛翔速度が最大になるパルス幅として求められる。パルス幅は、基準電圧GNDからの立ち上がり10%と波高値電圧からの立ち下がり10%との間の時間として定義する。ただし、本発明において、駆動信号は、矩形波に限定されず、台形波等であってもよい。
図4(a)、(b)、(c)に示したチャネル28A、28B、28Cにおいては、隣接するチャネルを同時に膨張又は収縮させることはできないため、いわゆる3サイクル駆動を行うことが好ましい。3サイクル駆動は、すべてのチャネルを3つの群に分けて隣接するチャネルを時分割制御するものである。また、本発明は、吐出チャネル及び吐出を行わないチャネル(ダミーチャネル)を交互に配置した、いわゆる独立タイプの液滴吐出ヘッドにも適用することができる。独立タイプの液滴吐出ヘッドでは、隣接するチャネルを同時に膨張又は収縮させることができるため、3サイクル駆動を行う必要はなく、独立駆動を行うことができる。
〔ノズルの構成(形状)〕
このような液滴吐出ヘッドにおいてノズル23を介して液滴を吐出するとき、ノズル23からの尖頭吐出により液滴形成が正常に行われないと、本来の滴下位置からずれた位置への滴下量(サテライト量)が多くなったり、液滴吐出時の吐出曲がり(吐出角度のずれ)が生じて、形成される画像に大きな画質劣化が招来されることがある。
このような液滴吐出ヘッドにおいてノズル23を介して液滴を吐出するとき、ノズル23からの尖頭吐出により液滴形成が正常に行われないと、本来の滴下位置からずれた位置への滴下量(サテライト量)が多くなったり、液滴吐出時の吐出曲がり(吐出角度のずれ)が生じて、形成される画像に大きな画質劣化が招来されることがある。
図5は、この液滴吐出ヘッドにおけるノズルの形状を示す縦断面図である。
この液滴吐出ヘッドにおいては、図5に示すように、ノズル23内を、チャネル28前端より外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分23aと、この円錐状部分23aに連続し前方側外方に連通する円筒状部分23bとから構成されている。これにより、ノズル23の内容積が増大されてポンプ能力が向上されるとともに、ノズル23内に引き込んだメニスカスに対して複数の方向から圧力を加えることができるため、液体の粘性抵抗を下げることができ、尖頭吐出を防止している。
円錐状部分23aの円筒状部分23bへの接続部と、円筒状部分23bの円錐状部分23aへの接続部とは、開口断面形状が一致しており、これら円錐状部分23a及び円筒状部分23bは、段差を経ることなく滑らかに連続して接続されている。
円錐状部分23aは、円筒状部分23bの内径をD0としたとき、軸方向長さL1が0.6D0以上となっている。また、円錐状部分23aは、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θ(テーパー角)が6度以上15度以下となっている。そして、円筒状部分23bの長さL2は、0.1D0乃至0.3D0となっている。
以下、図6乃至図10を用いて、円錐状部分23aの軸方向長さL1、円錐状部分23aの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度(テーパー角)θ、及び、円筒状部分23bの軸方向長さL2を上記範囲とすることについての技術的意義を示す。
図6は、円錐状部分23aの軸方向長さL1と吐出曲がり(吐出角度のずれ)との関係を示すグラフである。
円錐状部分23aの軸方向長さL1を0.6D0以上とするのは、図6に示すように、長さL1がこれより短いと、吐出曲がりを誘発しやすく、吐出曲がり角度が0.2°を超えてしまうからである。吐出曲がり角度は、0.2°以下であれば画質への影響が少ないため望ましい。図6は、以下を示している。
(1)(▲で示す)長さL1が0.4D0、長さL2が0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(2)(△で示す)長さL1が0.4D0、長さL2が0.2D0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(3)(■で示す)長さL1が0.6D0、長さL2が0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(4)(□で示す)長さL1が0.6D0、長さL2が0.2D0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(5)(●で示す)長さL1が1.0D0、長さL2が0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(6)(○で示す)長さL1が1.0D0、長さL2が0.2D0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(2)(△で示す)長さL1が0.4D0、長さL2が0.2D0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(3)(■で示す)長さL1が0.6D0、長さL2が0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(4)(□で示す)長さL1が0.6D0、長さL2が0.2D0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(5)(●で示す)長さL1が1.0D0、長さL2が0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
(6)(○で示す)長さL1が1.0D0、長さL2が0.2D0で、角度θが0度〜50度での吐出曲がり角度
図6より、吐出曲がり角度が0.2°以下となるのは、角度θが0度〜15度であって、長さL2が0.2D0であり、長さL1が0.6D0以上である場合である。
図7は、円錐状部分23aの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θと液滴の形状との関係を示すグラフである。
円錐状部分23aの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θを6度以上とするのは、図7に示すように、吐出される液滴をなす液体が、該液滴の先端側に集中するようにするためである。図7における液体の液滴先端側への集中とは、液滴をなす液体のうちの液滴先端から80%が通過する箇所の液滴先端からの距離Zで示すものである。
図8は、液滴吐出ヘッドから吐出される液滴の形状を示す模式図である。
図8(a)に示すように、液滴をなす液体のうちの液滴先端から80%が通過する箇所の液滴先端からの距離Zが、液滴全体の長さ(100%)に対して、45%以下であれば、液滴中の液体が液滴先端側へ十分に集中しているといえる。一方、図8(b)に示すように、液滴をなす液体のうちの液滴先端から80%が通過する箇所の液滴先端からの距離Zが、液滴全体の長さ(100%)に対する45%を超えていると、液滴中の液体の液滴先端側への集中は不十分といえる。
図9は、液滴吐出ヘッドから吐出された後の液滴の形状を示す模式図である。
液滴中の液体が液滴先端側へ十分に集中している場合には、図9(a)に示すように、液滴が記録媒体に向けて飛翔する過程で、液体全体が1つの主液滴に集合し、このまま記録媒体に到達する。この場合、画質劣化のない良好な画像が形成される。一方、液滴中の液体の液滴先端側への集中が不十分である場合には、図9(b)に示すように、液滴が記録媒体に向けて飛翔する過程で、液体は1つの主液滴を含む複数の液滴に分離してしまい、主液滴及びサテライトとなって記録媒体に到達する。この場合、記録媒体上において、サテライトは主液滴とは異なる場所に到達するので、画質劣化が生ずる。
図7に示すように、液滴をなす液体のうちの液滴先端から80%が通過する箇所の液滴先端からの距離Zを液滴全体の長さ(100%)に対して45%以下にするには、円錐状部分23aの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度θを6度以上としなければならない。
そして、図6に示すように、角度θが15度を超えてしまうと、長さL1、L2に拘わらず、吐出曲がり角度が0.2°を超えてしまう。したがって、角度θは、15度以下としなければならない。
図10は、円筒状部分23bの軸方向長さL2と吐出曲がり(吐出角度のずれ)との関係を示すグラフである。
円筒状部分23bの長さL2を0.1D0以上とするのは、図10に示すように、長さL2が0.1D0未満になると、吐出曲がり角度が0.2°を超えてしまうからである。なお、図10は、長さL1が0.6D0で、角度θが15度である場合を示している。
図10においては、円筒状部分23bの内径D0が25μmの場合の円筒状部分23bの長さL2の実寸法を、参考寸法として示している。この場合には、円筒状部分23bの長さL2は、2.5μm以上7.5μm以下ということになる。
円筒状部分23bの長さL2を0.3D0以下とするのは、以下の表1に示すように、長さL2が0.3D0を超えると、吐出される液滴の尾が長くなり、サテライトが発生する可能性が高くなるからである。なお、表1は、角度θが6度及び15度である場合において、サテライトが発生する可能性を「○、△、×」により示している。「○」は、サテライトが発生する可能性が十分に低いことを示す。「△」は、サテライトが発生する可能性があることを示す。「×」は、サテライトが発生する可能性が高いことを示す。
上述の通り、円錐状部分23aの軸方向長さL1の下限(0.6D0以上)は、図6により技術的意義が明らかにされている。また、円錐状部分23aの円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度(テーパー角)θの下限(6°以上)は図7により、上限(15°以下)は図6により技術的意義が明らかにされている。さらに、円筒状部分23bの軸方向長さL2の下限(0.1D0以上)は図10により、上限(0.3D0以下)は表1により技術的意義が明らかにされている。
このようにして、本発明の液滴吐出ヘッドにおいては、ノズル23内が円錐状部分23a及び円筒状部分23bとから構成されていることにより、ヘッドのポンプ能力を向上させるとともに、尖頭吐出が防止され、また、液滴吐出時の吐出曲がり(吐出角度のずれ)が少なくなり、画質劣化のない良好な画像を形成することができる。
また、この液滴吐出ヘッドにおいては、ノズル23の前端側に円筒状部分23bを設けることにより、特にシリコン材料によりノズルプレート22を形成する場合において、ノズル23の内径の寸法精度を向上させることができる。円筒状部分23bを設けず、円錐状部分23aがノズルプレート22の表面(前面)に到達するようにすると、円錐状部分23aの僅かな傾きやテーパー角の僅かな誤差がノズル23の前端開口部の内径寸法に影響することになり、この内径寸法の精度を維持することが困難である。
〔液滴吐出ヘッドの他の実施形態〕
図11は、実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるノズル23の形状の他の例を示す縦断面図である。
図11は、実施形態の液滴吐出ヘッドにおけるノズル23の形状の他の例を示す縦断面図である。
ノズル23は、図11に示すように、チャネル28前端と円錐状部分23a後端部との間に、錐状部分(ロート部)23cを有していてもよい。この錐状部分23cは、チャネル28の前端から前方端に向けて徐々に縮径され、チャネル28と円錐状部分23aとを滑らかに接続させる。この錐状部分23cは、母線のノズル中心軸に対する角度φが15度以上50度以下であることが好ましい。
また、ノズル23が単結晶シリコン材料からなるノズルプレート22に穿孔された透孔である場合には、チャネル28と円錐状部分23aとの間の錐状部分23cは、正四角錐状部分23cとしてもよい。この正四角錐状部分23cは、単結晶シリコン材料の異方性エッチングにより、シリコン結晶の(110)面と(111)面とを用いることにより形成することができる。したがって、正四角錐状部分23cは、斜面部のノズル中心軸に対する角度φが、シリコン結晶の(110)面と(111)面とがなす角度である約35.26度となる。
さらに、ノズル23の円筒状部分23bの内側面には、スキャロップ条が存在していてもよい。ノズル23の円筒状部分23bの内側面に存在するスキャロップ条は、スキャロップ加工により形成することができる。スキャロップ加工とは、単結晶シリコン材料のドライエッチング加工において、マスキング工程及びエッチング工程を繰り返して所望形状の穿孔を行う加工である。このスキャロップ加工においては、マスキングの位置が工程ごとに変わることにより、微細な凹凸であるスキャロップ条が形成される。このようなキャロップ条は微細な凹凸であるので、円筒状部分23bの内側面は、スキャロップ条が存在していても平坦面と見做すことができ、円筒状部分23bの作用には影響しない。
〔液滴吐出装置の他の実施形態(1)〕
本発明の液滴吐出装置においては、駆動信号生成部51が供給する駆動信号は、一画素周期内に、各一つのノズル23から複数の液滴を吐出させる信号(マルチドロップ信号)としてもよい。
本発明の液滴吐出装置においては、駆動信号生成部51が供給する駆動信号は、一画素周期内に、各一つのノズル23から複数の液滴を吐出させる信号(マルチドロップ信号)としてもよい。
本発明の液滴吐出装置においては、円錐状部分23aを有することにより、ノズル23の内容積が増大されてポンプ能力が向上されるとともに、ノズル23内に引き込んだメニスカスに対して複数の方向から圧力を加えることができ、液体の粘性抵抗を下げることができる。そのため、本発明は、一画素周期内に一つのノズル23から複数の液滴を吐出させ、いわゆる階調表現を可能とした場合に、特に効果が顕著であり、このような場合における有用性が高い。
〔液滴吐出装置の他の実施形態(2)〕
以上の説明では、ライン型の液滴吐出装置について説明したが、本発明はこれに限定されず、記録媒体の搬送方向と直交した方向に往復移動運動(シャトル運動)しながら記録するシリアル型(シャトル型ともいう)の液滴吐出装置にも好ましく適用できる。
以上の説明では、ライン型の液滴吐出装置について説明したが、本発明はこれに限定されず、記録媒体の搬送方向と直交した方向に往復移動運動(シャトル運動)しながら記録するシリアル型(シャトル型ともいう)の液滴吐出装置にも好ましく適用できる。
また、以上の説明では、液滴吐出装置が備える液滴吐出ヘッドが、シアーモード(Shear mode)型である場合について説明したが、本発明において、液滴吐出ヘッドにおける圧電素子の歪み形態は格別限定されず、シアーモード型の他に、例えば、撓みモード(Bend mode)型、縦モード(Push mode、あるいはDirect modeともいう)型等に好ましく適用できる。本発明は、液体が充填されたチャネルの容積を変化させることでノズルから液体を吐出する液滴吐出装置であれば、圧電素子の歪み形態や、チャネルの容積・形状などによらず、種々の液滴吐出装置に適用可能である。
また、本発明は、いわゆる独立タイプの液滴吐出ヘッドにも適用することができる。独立タイプの液滴吐出ヘッドでは、隣接するチャネルを同時に膨張又は収縮させることができ、独立駆動を行うことができる。
〔液滴吐出装置の他の実施形態(3)〕
図12は、複数のチャネルを2次元状に配置した、いわゆるMEMSタイプの液滴吐出ヘッドの一例を示す図であり、図12(a)は側面から見た断面図、図12(b)は底面からノズル面を見た底面図である。
図12は、複数のチャネルを2次元状に配置した、いわゆるMEMSタイプの液滴吐出ヘッドの一例を示す図であり、図12(a)は側面から見た断面図、図12(b)は底面からノズル面を見た底面図である。
本発明は、いわゆるMEMSの液滴吐出ヘッドにも適用することができる。いわゆるMEMSタイプの液滴吐出ヘッドは、図12(a)に示すように、共通液体室71を構成する液体マニホールド70を有して構成される。液体マニホールド70の開放された底部は、上側基板75によって閉蓋されている。共通液体室71内は、液体が供給されて充填される。
上基板75の下方には、この上側基板75に平行に下側基板76が配置されている。上側基板75及び下側基板76の間には、複数の圧電素子78が配置されている。これら圧電素子78には、上側基板75の下面に形成された図示しない配線パターンを介して、駆動信号が印加される。これら圧電素子78にそれぞれ対応して、複数のチャネル73が設けられている。これらチャネル73は、下側基板76に形成された透孔であって、上部を対応する圧電素子78に閉蓋され、底部をノズルプレート77によって閉蓋されている。ノズルプレート77は、下側基板76の下面に接着されている。
各チャネル73は、各チャネル73に対応して上側基板75及び下側基板76を貫通して形成された注入孔72及びノズルプレート77の上面に形成された溝を介して、それぞれの底部が共通液体室71に連通している。共通液体室71内の液体は、注入孔72及びノズルプレート77の上面に形成された溝を介して、各チャネル73内に供給される。また、各チャネル73は、各チャネル73に対応してノズルプレート77に形成されたノズル74を介して、それぞれ外方(下方)に連通している。
この液滴吐出ヘッドにおいては、圧電素子78に駆動信号が印加されると、対応するチャネル73の容積が変化(膨張及び収縮)し、このチャネル73内の液体が、ノズル74を介して外方(下方)に吐出される。
この液滴吐出ヘッドにおいては、図12(b)に示すように、ノズル74は、ノズルプレート77の下面において2次元状に配置されている。圧電素子78も、ノズル74に対応して2次元状に配置されている。
前述した各実施形態において、液滴吐出装置は、インク以外の他の液体を吐出する液滴吐出装置であってもよい。また、ここでいう液体は、液滴吐出装置から吐出させることができるような材料であればよい。例えば、物質が液相であるときの状態のものであればよく、粘性の高い又は低い液状体、ゾル、ゲル水、その他の無機溶剤、有機溶剤、溶液、液状樹脂、液状金属(金属融液)のような流状体を含むものとする。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散又は混合されたものなども含むものとする。液体の代表的な例としては上記実施形態で説明したようなインクや液晶等が挙げられる。ここで、インクとは一般的な水性インク及び油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種液体組成物を包含するものとする。液滴吐出装置の具体例としては、例えば、液晶ディスプレイ、EL(エレクトロルミネッセンス)ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルターの製造等に用いられる電極材や色材等の材料を分散又は溶解のかたちで含む液体を液滴にして吐出する液滴吐出装置がある。また、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を吐出する液滴吐出装置、精密ピペットとして用いられ試料となる液体を吐出する液滴吐出装置等であってもよい。さらに、時計やカメラ等の精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液滴吐出装置、光通信素子等に用いられる半球レンズ(光学レンズ)などを形成するために紫外線硬化樹脂等の透明樹脂液を基板上に吐出する液滴吐出装置であってもよい。また、基板などをエッチングするために酸又はアルカリ等のエッチング液を吐出する液滴吐出装置であってもよい。
以上のように、上述した液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置によれば、ノズル74の吐出側において、吐出する液体の粘性抵抗を下げることにより、尖頭吐出が防止されるとともに、吐出角度の精度が向上される。
22:ノズルプレート
23:ノズル
23a:円錐状部分
23b:円筒状部分
27:隔壁
27a:圧電素子
27b:圧電素子
28:チャネル
29:電極
31:液滴吐出ヘッド
300:接続電極
310:ヘッドチップ
52:メモリ
51:駆動信号生成部
6:フレキシブルケーブル
74:ノズル
23:ノズル
23a:円錐状部分
23b:円筒状部分
27:隔壁
27a:圧電素子
27b:圧電素子
28:チャネル
29:電極
31:液滴吐出ヘッド
300:接続電極
310:ヘッドチップ
52:メモリ
51:駆動信号生成部
6:フレキシブルケーブル
74:ノズル
Claims (6)
- 圧力発生素子により容積を変化させられるチャネルと、
前記チャネルに連通され、前記チャネル内から外方に吐出される液体の流路となる透孔であるノズルとを備え、
前記ノズル内は、外方側に向けて徐々に縮径する円錐状部分と、この円錐状部分に連続し外方側に連通する円筒状部分とを有し、
前記円錐状部分の前記円筒状部分への接続部と、前記円筒状部分の前記円錐状部分への接続部とは、開口断面形状が一致しており、
前記円筒状部分は、その内径をD0としたとき、その軸方向長さが0.1D0乃至0.3D0であり、
前記円錐状部分は、その軸方向長さが0.6D0以上であり、円錐面の母線のノズル中心軸に対する角度が6度以上15度以下である液滴吐出ヘッド。 - 前記ノズルは、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に、母線のノズル中心軸に対する角度が15度以上50度以下である錐状部分を有する請求項1記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔である請求項1又は2記載の液滴射出ヘッド。
- 前記ノズルは、単結晶シリコン材料からなるノズルプレートに穿孔された透孔であり、前記円錐状部分よりも前記チャネル側に正四角錐状部分を有し、
前記正四角錐状部分は、異方性エッチングにより形成され、
前記正四角錐状部分の斜面部のノズル中心軸に対する角度は、シリコン結晶の(110)面と(111)面とがなす角度であって、約35.26度である請求項1記載の液滴吐出ヘッド。 - 前記円筒状部分には、スキャロップ条がある請求項1〜4の何れかに記載の液滴吐出ヘッド。
- 請求項1〜5の何れかに記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドの前記圧力発生素子に、前記チャネルの容積を変化させる駆動信号を供給する駆動信号生成部とを備え、
駆動信号生成部が供給する駆動信号は、一画素周期内に一つのノズルから複数の液滴を吐出させる信号である液滴吐出装置。
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